Obtencion-de-aleaciones-Ti-Si-por-medio-de-pulvimetalurgia-y-su-caracterizacion-mecanica

•

Engenharias

Aprende Todo

15.7.2022

¡Este material tiene más páginas!

Entonces, ¿te gustó este material?

Ayude a animar a otros estudiantes a mejorar el contenido

¿Te gustó este material? ¡Compartir! 🧡

Ingeniería

46.776 Materiales compartidos

Descarga la aplicación para disfrutar aún más

Lea materiales sin conexión, sin usar Internet. Además de muchas otras características!

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA

DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN

Obtención de aleaciones Ti-Si por medio de
pulvimetalurgia y su caracterización mecánica

TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO
MECÁNICO
P R E S E N T A:
Daniela Contreras Velasco
ASESOR:
Dr. Fernando Néstor García Castillo

CIUDAD NEZAHUALCÓYOTL, ESTADO DE MÉXICO

JULIO 2019

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
Restricciones de uso

DERECHOS RESERVADOS ©
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México).
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.

Índice
Introducción .................................................................................................................... 14
1 Capítulo I: Conceptos teóricos de Pulvimetalurgia y biomateriales ............................ 17
1.1 Aleaciones y procesos de fabricación ................................................................ 17
1.1.1 Pulvimetalurgia ............................................................................................ 22
1.1.2 Propiedades físicas y mecánicas de los materiales ........................................ 28
1.1.3 Metalografía................................................................................................. 31
1.1.4 Biocompatibilidad ........................................................................................ 37
1.1.5 Biomateriales ............................................................................................... 38
1.1.6 Titanio y sus aleaciones ................................................................................ 39
1.1.7 Silicio como elemento aleante ...................................................................... 42
2 Capítulo II: Aspectos generales sobre caracterización mecánica en materiales .......... 43
2.1.1 Elasticidad .................................................................................................... 43
2.1.2 Ensayos para caracterización de materiales .................................................. 46
2.1.3 Ensayos en diferentes arreglos mecánicos .................................................... 47
2.1.4 Obtención de módulo de elasticidad por diferentes métodos ....................... 50
2.1.5 Ensayo de Arquímedes ................................................................................. 53
2.1.6 Ensayo de dureza ......................................................................................... 54
2.1.7 Técnicas de observación para muestras metalográficas ................................ 58
3 Capítulo III: Método experimental ............................................................................ 62
3.1.1 Obtención de probetas por medio de Pulvimetalurgia .................................. 62
3.1.2 Compactación en frío uniaxial y sinterizado por horno de vacío .................... 64
3.1.3 Ensayos no destructivos ............................................................................... 66
3.1.4 Ensayo de flexión a tres puntos .................................................................... 70
3.1.5 Metalografía................................................................................................. 73
4 Capítulo IV: Resultados y conclusiones ...................................................................... 80
4.1 Resultados ........................................................................................................ 80
4.1.1 Compactación .............................................................................................. 81
4.1.2 Arquímedes .................................................................................................. 83
4.1.3 Contracción .................................................................................................. 85
4.1.4 Ultrasonido .................................................................................................. 87
3

4.1.5 Dureza .......................................................................................................... 89
4.1.6 Flexión ......................................................................................................... 91
4.1.7 Microscopía óptica y electrónica de barrido ................................................. 93
4.2 Análisis de resultados ........................................................................................ 95
4.3 Conclusiones ..................................................................................................... 98
5 Bibliografía ............................................................................................................... 99

Figuras

Figura 1: Diagramas de equilibrio. a) Diagrama de equilibrio para Cu-Zn [4], b) Diagrama de fases
para Ti-Si [5]................................................................................................................................. 18
Figura 2: Fase austenita y martensita en una aleación de memoria de forma Cu-Al-Be. a)
Micrografía de fase austenita, b) Micrografía de fase martensita [6]. ........................................... 19
Figura 3: Estructuras presentes en MMF. a) Fase austenita en aleaciones base cobre [69]. b)
Martensita 9R obtenida a partir de la fase B2 [70]........................................................................ 20
Figura 4: Secuencia de prensado uniaxial en matriz [11]. .............................................................. 26
Figura 5: Muestras encapsuladas en resina transparente. ............................................................ 32
Figura 6: Acero inoxidable austenítico en prótesis quirúrgica [23]. ............................................... 38
Figura 7: Propiedades mecánicas [54]. ......................................................................................... 39
Figura 8: Imagen tomada en SEM de material cerámico a de circona [27]. ................................... 41
Figura 9: Diagrama esfuerzo-deformación [39]. ............................................................................ 49
Figura 10: Método de ensayo de una prueba de tracción clásico [35]. .......................................... 49
Figura 11: Configuración experimental. a) Configuración esquemática, b) Fuerzas y momentos, c)
Región OB [41]. ............................................................................................................................ 50
Figura 12: Diagrama del método de anillo [41]. ............................................................................ 51
Figura 13: Comparación de dos métodos empleados para medir módulo de Young [41]. ............. 51
Figura 14: Forma de un haz de ultrasonido [42]. ........................................................................... 52
Figura 15: Medición de la densidad de un cuerpo por el método de Arquímedes usando balanza de
un solo plato [44]. ........................................................................................................................ 53
Figura 16: Ensayo de dureza Brinell [47]. ...................................................................................... 55
Figura 17: Ensayo de dureza Knoop [47]. ...................................................................................... 55
Figura 18: Ensayo de dureza Rockwell [47]. ..................................................................................56
Figura 19: Ensayo de dureza Vickers [47]. ..................................................................................... 57
Figura 20: Partes del microscopio óptico [60]. .............................................................................. 58
Figura 21: Principio de magnificación [51]. ................................................................................... 59
Figura 22: Microscopio electrónico, UPV. ..................................................................................... 60
Figura 23: Probeta en observación, UPV. ...................................................................................... 61
Figura 24: Caja de guantes, UPV. .................................................................................................. 63
Figura 25: Polvo de titanio. .......................................................................................................... 63
Figura 26: Turbula Bioengineering, UPV. ...................................................................................... 63
Figura 27: Prensa hidráulica INSTRON 1343. ................................................................................. 64
Figura 28: Probetas obtenidas después de compactación. ............................................................ 65
Figura 29: Ensamble para prueba de Arquímedes, UPV. ............................................................... 66
Figura 30: Ecógrafo y melasa para prueba de ultrasonido. ............................................................ 67
Figura 31: Prueba de ultrasonido probeta TiSi. ............................................................................. 68
Figura 32: Prueba de dureza. ........................................................................................................ 69
Figura 33: Equipo de flexión Shimadzu AG-Xplus SC (short-column type)...................................... 71
5

Figura 34: Probetas para flexión. .................................................................................................. 72
Figura 35: Realización de prueba de flexión. ................................................................................. 72
Figura 36: Cortadora de precisión STUERS. ................................................................................... 73
Figura 37: Probeta montada para corte. ....................................................................................... 74
Figura 38: Muestras cortadas y clasificadas por % de Si. ............................................................... 75
Figura 39: Embutidora Stuers, Lab. de metalografía. .................................................................... 75
Figura 40: Probeta en embutidora. .............................................................................................. 75
Figura 41: Pastilla transparente. ................................................................................................... 76
Figura 42: Encapsulado con resina conductora. ............................................................................ 76
Figura 43: Pastillas de resina conductora. ..................................................................................... 77
Figura 44: Máquina de discos y lijas para desbaste. ...................................................................... 78
Figura 45: Pulido grueso, probetas en cabezal. ............................................................................. 78
Figura 46: Limpieza de probetas. .................................................................................................. 79
Figura 47: Imagen de microscopía electrónica de barrido. ............................................................ 93
Figura 48: Distribución de titanio, fase α. ..................................................................................... 93
Figura 49: Distribución de silicio, fase α. ...................................................................................... 93
Figura 50: Estructura laminar aleación Ti-2Si. ............................................................................... 96
Figura 51: Microestructura de las aleaciones TiSi, obtenidas por microscopía óptica, electrónica de
barrido, imagen de polos inversa y distribución de fases, [49]. ..................................................... 97

Tablas

Tabla 1: Clasificaciones del proceso de fundición para las industrias y tipos de moldes. ............... 21
Tabla 2: Elementos base para fundición. ...................................................................................... 21
Tabla 3: Aplicaciones comunes de piezas obtenidas por PM. ........................................................ 23
Tabla 4: Especificaciones para preparación metalográfica Cu y aleaciones, [20]. .......................... 36
Tabla 5: Propiedades del Silicio. ................................................................................................... 42
Tabla 6: Reducción de constantes elásticas de acuerdo con estructura cristalina y sus simetrías. . 45
Tabla 7: Propiedades mecánicas y método de ensayo [35]. .......................................................... 48
Tabla 8: Tipos de penetradores y cargas. ...................................................................................... 55
Tabla 9: Cargas según las normas ISO y ASTM para ensayo Vickers [46]........................................ 57
Tabla 10: Dimensiones de probetas. ............................................................................................. 65
Tabla 11: Dimensiones de probetas Ti CP después de compactación. ........................................... 81
Tabla 12: Dimensiones de probetas aleación TiSi después de compactación. ............................... 82
Tabla 13: Volumen, densidad y porosidad en verde de aleaciones TiSi. ........................................ 83
Tabla 14: Volumen, densidad y porosidad en verde de Ti CP. ....................................................... 84
Tabla 15: Dimensiones después de sinterizado y contracción de Ti CP. ......................................... 85
Tabla 16: Dimensiones después de sinterizado y contracción de aleaciones TiSi. .......................... 86
Tabla 17: Lecturas de ultrasonido, cálculo de módulo elástico, razón de Poisson y promedios de Ti
CP. ............................................................................................................................................... 87
Tabla 18: Lecturas de ultrasonido, cálculo de módulo elástico, razón de Poisson y promedios de
aleación TiSi. ................................................................................................................................ 88
Tabla 19: Dureza Rockwell R15T de aleación TiSi. ......................................................................... 89
Tabla 20: Dureza Vickers de aleación TiSi. .................................................................................... 90
Tabla 21: Flexión a tres puntos de aleación TiSi. ........................................................................... 91
Tabla 22: Imágenes de MO de las tres aleaciones. ........................................................................ 94
Tabla 23: Porosidad en verde, contracción y densidad de los sinterizados de TiSi y Ti CP. ............. 95
Tabla 24: Características mecánicas de las aleaciones Ti-Si y Ti CP. ............................................... 96
Tabla 25: Formación de intermetálico y tamaño de grano. ........................................................... 97

Gráficas

Gráfica 1: Tensión contra contenido de silicio. ............................................................................. 92
Gráfica 2: % de deformación contra contenido de silicio. ............................................................. 92

file:///I:/Tesisasdfghjklñ/Ya%20en%20serio_Contreras%2026.05%20DCV.docx%23_Toc124126077

Sinodales

Dr. Jacinto Cortés Pérez
M. en I. Alberto Reyes Solis
M. en C. e I. Gerardo González Hernández
Ing. Gustavo C. Ruiz Cerezo

Tutor

Dr. Fernando Néstor García Castillo

Reconocimientos

Dr. Vicente Amigó Borrás:
por el tiempo dedicado, las asesorías y todo el apoyo brindado durante
la estancia en la Universidad Politécnica de Valencia.

Reconocimientos

Al programa Beca de Capacitación en Métodos de Investigación SEP-UNAM-FUNAM 2018 por hacer
posible que el viaje se concretara, además a la Consellería d’Educació, Investigació, Cultura i Esports
de la Generalitat Valenciana por la financiación a través del proyecto PROMETEO2016/040.
Finalmente, pero no menos importante, hacer mención del Convenio de colaboración FES Aragón –
UPV con número de registro UNAM: 53268-2328-2-VIII-18, que después de mucho trabajo comienza
a dar resultados sobresalientes.

Reconocimientos

Dr. Fernando Néstor García Castillo,
Dr. Jacinto Cortés Pérez,
M. en I. Alberto Reyes Solís,
M. en C. e I. Gerardo González Hernández,
Ing. Gustavo C. Ruiz Cerezo:

por el trabajo tan importante que desarrollan dentro de la facultad; así como
sus comentarios y observaciones acerca de la tesis.

Agradecimientos

Quiero hacer un agradecimiento especial al Dr. Vicente Amigó por brindarme la oportunidad de
lograr una meta: investigar en el extranjero. Además de recibirme con los brazos abiertos en el
Departamento y enseñarme que no es necesario pasar todo el día dentro del laboratorio para
aprender.
Pero, sobre todo, por confiar en mí para realizar este trabajo.
Además, agradecer a la Universidad Politécnica de Valencia por brindarme todas las posibilidades
para realizar el trabajo presente y recibirme como una estudiante más de la universidad.

Agradecimientos

Dr. Jacinto Cortés Pérez:
Por todo el conocimiento compartido, el apoyo brindado a lo largo de la carrera y la confianza.

M. en I. Alberto Reyes Solis:
Por enseñarme que la dedicación y el esfuerzo siempre dejan algo bueno, como aprobar análisis
dinámico.

M. en C. e I. Gerardo González Hernández:
Por mostrarme lo bonito que es el mundo de los materiales y las matemáticas.

Ing. Gustavo C. Ruiz Cerezo:
Por confiar en mí para apoyar y colaborar con el laboratorio L1, además, de instruirme en un área
tan importante como lo es la calidad.

Y, finalmente,
Dr. Fernando Néstor García Castillo:
Por abrirme las puertas del Laboratorio de Mecánica, así como involucrarme en los proyectos, de
cuales aprendí mucho. Gracias por el apoyo para que la estancia se concretara de la mejor manera
y por aceptar el reto de ser el asesor del trabajo presente.

Agradecimientos

Por mi taza de café a diario, Petronila.

Por la canción motivadora antes de llegar a la Universidad, Gordon.

Por las series y las desveladas platicando, Aranche.

Por dejarme dormir en tu cama –a veces-, Banana.

Por viajar desde Rivendel hasta Mordor sólo para verme, Majo.

Por ir a la biblioteca conmigo (aun cuando lo odiabas) y hacer más livianos los días de
universitarios, Dann.

Por el café y aceptar las galletas de cajeta, Weirdo.

Por acompañarme siempre, Nico.

Introducción

Los procesos de manufactura de materiales han evolucionado conforme la humanidad lo ha
hecho. Actualmente estos procesos se clasifican en diferentes categorías dentro de las que
destacan: los de conformación por desprendimiento de material, conformación forzada y
complementarios. Los de conformación forzada son ampliamente utilizados debido a que, entre
otras cosas, no hay mucho desperdicio de material. Algunos ejemplos de estos procesos son:
conformación térmica, conformación plástica y pulvimetalurgia (PM).
Sin importar cuál proceso se lleve a cabo para la obtención de un material las exigencias
actuales respecto a las propiedades mecánicas, acabados, configuraciones geométricas, entre otros,
implican mayores retos desde el punto de vista tecnológico y de investigación. Un ejemplo de ello
son las aplicaciones que exigen propiedades muy específicas en un material para que sea compatible
con sistemas biológicos. El contar con este tipo de materiales ha sido una buena opción para
personas que han perdido alguna parte específica del cuerpo o movilidad de las extremidades por
enfermedades degenerativas. Actualmente se han desarrollado implantes exitosos como: tornillos
en tobillos o placas que brindan soporte cuando la extremidad ha perdido fuerza, posiblemente
debido a una reducción de área, también prótesis de rodilla y cadera de manera parcial, incluso
total; así como brazos y manos. Es tanto el avance en esta área que, incluso existen empresas
consolidadas dedicadas a la fabricación de órtesis, prótesis, desarrollo de investigación y diseños
biónicos. A pesar de estos avances existen también bastantes limitantes dentro de las que destacan:
el costo de la fabricación de los mismo o geometrías muy complejas con bajo peso y alta resistencia.
Una de las opciones más utilizadas en este ámbito es el titanio debido a la biocompatibilidad que
presenta. De hecho, las propiedades del titanio pueden ser mejoradas por medio de la combinación
de éste con vanadio y molibdeno.
Investigaciones recientes realizadas en la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) han
demostrado que la fabricación más favorable para el titanio y sus aleaciones es la metalurgia de
polvos. La cual brinda ventajas como creación de aleaciones con elementos que tienen puntos de
fusión elevados, mayor reducción de pérdidas de material, control en la porosidad, dureza elevada
y alta resistencia mecánica, entre otras. Así mismo, se han venido desarrollando diferentes
aleaciones fabricadas por pulvimetalurgia como el Ti-Cu para fines biomédicos.
De manera paralela en el “Laboratorio de Mecánica Aplicada” del Centro Tecnológico de la
FES Aragón – UNAM se han desarrollado diferentes investigaciones en colaboración tanto con el
Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales como con el Instituto de Tecnología de
Materiales de la UPV, que han permitido estudiar, de manera más profunda, la transformación
martensítica inducida por esfuerzo en materiales con memoria de forma desde 2011.

Es así como surge la presente investigación, la cual se realizó durante una estancia de
investigación bajo el apoyo del programa: Beca de Capacitación en Métodos de Investigación SEP-
UNAM-FUNAM 2018 en la Universidad Politécnica de Valencia, en los laboratorios de
Pulvimetalurgia, Metalografía y Microscopía óptica.
La investigación, durante la estancia, estuvo bajo la tutela del Dr. Vicente Amigó Borrás,
catedrático de la institución, cuya línea de trabajo se concentra en la aplicación del titanio y sus
aleaciones como biomateriales.
Los objetivos generales de la presente investigación fueron los siguientes:
 Obtener probetas de la aleación TiSi con distintos porcentajes de Silicio, por medio de
pulvimetalurgia y mezcla elemental.

 Analizar los resultados obtenidos en pruebas de caracterización tales como: ultrasonido,
dureza, flexión y metalografía.

El trabajo está conformado por cuatro capítulos:
 Capítulo I: Conceptos teóricos de Pulvimetalurgia y biomateriales

En este capítulo se dan algunos conceptos básicos de aleaciones de titanio y silicio como
elemento aleante. Se hace especial énfasis de la PM y las ventajas que ofrece respecto a otros
procesos tradicionales de manufactura. Se describe la biocompatibilidad, su importancia y se detalla
tanto el uso del titanio como el silicio junto con sus características generales.
 CapítuloII: Aspectos generales sobre caracterización mecánica en materiales

En este capítulo se describen diversos ensayos y técnicas frecuentemente utilizadas para la
caracterización mecánica de materiales. Se hace referencia a los ensayos destructivos y los no
destructivos. Se destaca la forma de obtención de las propiedades en cada caso y en los principios
físicos utilizados en cada técnica. Adicionalmente, se describen de manera básica las técnicas de
observación de microscopía óptica y electrónica de barrido.
 Capítulo III: Método experimental

En este capítulo se describe el desarrollo completo de la caracterización de las probetas de
aleaciones TiSi, las cuales se fabricaron por medio de PM, con un prensado isostático uniaxial y un
sinterizado posterior en un horno de vacío.
La fase de caracterización está comprendida por los ensayos de Arquímedes, Ultrasonido y
Dureza, además de la prueba de flexión a tres puntos. Se explica de manera detallada la preparación
metalográfica de las muestras seleccionadas con la finalidad de realizar análisis microestructural con
microscopía óptica (MO) y electrónica de barrido.
 Capítulo IV: Resultados y conclusiones

Finalmente, en esta parte de la tesis, se muestran los datos y resultados obtenidos por
medio de la caracterización, ordenados por prueba. Se muestran las imágenes tomadas en MO tanto
antes como después del ataque químico y los análisis resultantes de electrónica de barrido, donde
se puede apreciar la homogeneidad de la mezcla, la fase en que se encuentran las aleaciones por
cada porcentaje. Adicionalmente, se dan las principales conclusiones como resultado de la presente
investigación.

1 Capítulo I: Conceptos teóricos de Pulvimetalurgia y biomateriales

1.1 Aleaciones y procesos de fabricación

Una aleación consta de dos o más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es
un metal [1].
La clasificación de las aleaciones parte de tres criterios:
a) Composición: considera el porcentaje existente de cada elemento presente en una
aleación. Actualmente la composición se mide por medio de la técnica de
espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS).
b) Número de elementos: distingue a las aleaciones como binarias cuando están
constituidas por dos elementos, ternarias cuando son tres y así sucesivamente.
c) Tipo de solución.
De esta última categoría existen dos tipos: 1) soluciones sólidas y 2) fases intermedias.
Una solución sólida es una aleación en la cual un elemento está disuelto en otro y existe
sólo una fase. El término fase se refiere a una región del espacio donde las propiedades físicas del
material son uniformes, tal como un metal en el que los granos tienen la misma estructura [2].
Por otro lado, cuando un elemento excede el límite de solubilidad sólida del metal base, se
forma una segunda fase en la aleación, por ello, es conocida como fase intermedia [2]. En el caso de
una aleación binaria, por ejemplo, un compuesto intermetálico es una fase intermedia entre ambos
elementos, por lo que las características que pudiera presentar son diferentes a las otras fases [3].
Existen en la literatura diagramas de fase en función de la temperatura o presión y la
composición global de la aleación a considerar. Por ejemplo, en la Figura 1, se muestran los
diagramas: para el Cu-Zn [4] y el Ti-Si [5]. Como puede observarse en dichos diagramas es posible
encontrar las fases presentes para cada porcentaje y temperatura de estas aleaciones,
temperaturas de fusión de cada fase y sus temperaturas de solidificación. Adicionalmente en estos
diagramas se pueden observar las reacciones eutécticas, eutectoides, peritécticas, peritectoides y
monotécticas.
18

Figura 1: Diagramas de equilibrio. a) Diagrama de equilibrio para Cu-Zn [4], b) Diagrama de fases
para Ti-Si [5].
Te
m
p
er
at
u
ra
, °
K

% Silicio
Cu Zn
19

Las fases que pueden presentarse en aleaciones metálicas son la alfa α, beta β, gamma γ,
entre otras, éstas se denotan con letras griegas y es posible identificarlas a través de la
microestructura. En la Figura 2, se muestran dos micrografías: una de la fase austenita y la otra de
la fase martensita presente en una aleación de Cu-Al-Be con memoria de forma [6] Mientras que en
la Figura 3, se observan las estructuras presentadas en ambas fases [7].

a) b)
Figura 2: Fase austenita y martensita en una aleación con memoria de forma Cu-Al-Be. a)
Micrografía de fase austenita, b) Micrografía de fase martensita [6].
La mayoría de los materiales utilizados en aplicaciones ingenieriles están constituidos por
algún tipo de aleación, esto sucede por distintas razones; sin embargo, la principal es porque las
propiedades de los metales puros se ven limitadas, pero se pueden mejorar por medio de una
aleación. Algunos de los procesos por los cuales se pueden obtener son los de conformación forzada
dentro de los que sobresalen la pulvimetalurgia y la de conformación térmica.
Por ejemplo, dentro de los procesos de conformación térmica se encuentra la fundición, la
cual es un proceso muy antiguo que data de 6 mil años atrás, ofrece ventajas como fabricación de
piezas con una geometría compleja; además de producciones muy grandes (100 toneladas). Incluso
ésta puede ser en masa, además se realiza con cualquier metal que calentándolo llegue a su estado
líquido. Los pasos básicos de la fundición se pueden resumir en los siguientes:
1. Fundición del material (ferroso o no ferroso)
2. Vaciado en un molde del material fundido
3. Enfriamiento

Figura 3: Estructuras presentes en MMF. a) Fase austenita en aleaciones base
cobre [51]. b) Martensita 9R obtenida a partir de la fase B2 [52].
21

En la Tabla 1 se muestra una breve descripción del proceso de fundición. Las primeras dos
columnas se refieren a los trabajos que se pueden realizar y las industrias que los desarrollan,
asimismo, se mencionan los tipos de moldes que existen, las características de ambos y las técnicas
de vaciado.
Tabla 1: Clasificaciones del proceso de fundición para las industrias y tipos de moldes.
Fundición
Lingotes Formas Moldes
Industrias de metales
primarios. Producción
grande de forma simple.
Procesos subsiguientes:
laminado o forjado.
Fundición de
piezas complejas
que se acercan a
la forma final del
producto.
Desechables Permanentes
El molde se destruye.
Velocidad de producción
limitada. Molde de arena.
 Al vacío
 Poliestireno
expandido
 A la cera perdida
El molde no se
destruye. 400 piezas
por hora. Molde
metal.
 Centrífuga
 En dados

Los productos que se obtienen pueden ser desde coronas dentales, joyería, estatuas,
estufas de hierro fundido, bloques y cabezas para motores hasta sartenes [2].
Las aleaciones más comunes por difusión se llevan a cabo con elementos base cuyo punto
de fusión se considera bajo en comparación de otros [8], ver Tabla 2.
Tabla 2: Elementos base para fundición.
Elemento
Temperatura
de fusión (°C)
 Zinc 420°
 Estaño 240°
 Bronce 800°
 Latón 930°
 Aluminio 620°
 Plomo 340°

Muchas son las posibilidades que ofrece la fundición, no obstante, es un proceso que está
muy limitado, si los productos necesitan alguna propiedad para cierta aplicación en específico, tal
como la porosidad, que puede ser aprovechada en el área de biomateriales brindando la posibilidad
de depositar en los poros enzimas. Otra desventaja que tiene es la baja precisión dimensional, pues
podría haber errores con el molde, así como el deficiente acabado superficial de las piezas,
requiriendo operaciones adicionales [2]. Por ello, una buena alternativa es la Pulvimetalurgia.

1.1.1 Pulvimetalurgia

La metalurgia de polvos, también conocida como Pulvimetalurgia (PM) es un proceso de
produccióncon el cual se fabrican piezas comprimiendo polvos de algún material metálico o
cerámico dentro de un molde. Una vez comprimido el polvo, se somete a un proceso de
calentamiento conocido como sinterizado, que le proporciona al producto propiedades de
resistencia y dureza. [9]
Como todo proceso, la PM presenta algunos inconvenientes: la obtención de los polvos, su
almacenamiento, y el equipo para llevar a cabo la manufactura son costosos. Además, existen
algunas dificultades térmicas al trabajar con elementos como aluminio y magnesio, en el proceso
de sinterizado por su bajo punto de fusión [2], [9] .
Por otro lado, una de las principales ventajas de este proceso de manufactura es que se
puede emplear para la obtención de piezas utilizando materiales con puntos de fusión elevados.
Cabe señalar que la combinación de metales con no metales es económica y la pérdida de material;
así como los desperdicios durante la fabricación son muy pocos. Adicional a estas ventajas, la
aplicación de piezas obtenidas por este medio cada vez es más común como se muestra en la Tabla
3.
El proceso de la pulvimetalurgia comprende varios pasos para que sea exitoso; el polvo se
obtiene mediante diversas técnicas, pasa por métodos de preparación, se consolida para darle
forma y resistencia temporal hasta que el sinterizado establece los enlaces mecánicos. En resumen,
la PM toma polvos con ciertas características como tamaño, forma y empaquetamiento para crear
un material de alta dureza y precisión [1], [2], [10]. No sólo la compactación es importante, sino
también la unión por medio de la sinterización.

Tabla 3: Aplicaciones comunes de piezas obtenidas por PM.
Aplicación Ejemplo de usos
Aeroespacial Motores de Jet, Escudos de Calor, Boquillas De Turbina
Automotriz Válvulas, Engranes
Química Filtros, Catalíticos
Construcción Techado de Asfalto
Eléctrico- electrónico Contactos, Conectores, Tintas, Paquetes Microelectrónicos
Tratamientos térmicos Calderas, Termopares, Bandejas de Correa
Industrial Absorción de Sonido, Herramientas De Corte
Uniones Soldadores, Electrodos, Llenado de Soldadura
Manufactura Moldes, Herramientas, Rodamientos
Medicina Implantes de Cadera, Fórceps, Amalgamas, Prótesis
Metalúrgico Recubrimientos Metálicos, Aleaciones
Nuclear Escudos, Filtros, Reflectores
Petroquímico Catalíticos, Brocas
Plásticos Herramientas, Moldes, Llenadores, Superficies de Desgaste

La fabricación de piezas por medio de PM consiste en:
I. Producción y caracterización de polvos
Los polvos se pueden fabricar por medio de diferentes técnicas como:
1. Extracción
2. Atomización
3. Producción de fibras
4. Producción mecánica de polvo
Las propiedades del producto finalizado se determinan a partir de la forma, el tamaño y la
distribución de las partículas.
La forma de la partícula es un factor importante para determinar el procesamiento y está
sujeta a la norma ISO 3252. Por ejemplo, se pueden encontrar partículas esferoides, nodulares
(ligeramente alargadas), laminares (como placas), aciculares (como agujas) o dendríticas [10].
24

El tamaño de la partícula no debe de ser demasiado grande ni pequeña; ya que existe la
posibilidad de no presentar la estructura deseada en caso de ser muy grandes o aglomerarse al
reducir el tamaño [2], [10].
La distribución del tamaño de la partícula se analiza pasando el polvo a través de una serie
de tamices con mallas de fineza progresivamente mayor. Tanto la microscopía óptica como la
electrónica de barrido se pueden emplear para el análisis del tamaño y forma [2], [10].
Para llevar a cabo el procesamiento anterior, se consideran las propiedades físicas del polvo
[10]:
1. El área superficial específica (𝑐𝑚
2
𝑔⁄ ) indica el área disponible para el aglutinamiento y
también el área sobre la cual pueden estar presentes películas o contaminantes
adsorbidos.
2. La densidad real (𝑔 𝑐𝑚3⁄ ), también llamada densidad teórica, es la masa por el volumen
unitario del llenado. La densidad aparente es un valor importante porque define el
volumen real lleno por el polvo suelto.
3. Las propiedades de flujo son dadas por la tasa de flujo, es decir, el tiempo necesario
para que una cantidad medida de polvo fluya a través de un embudo estándar.
4. La compresibilidad es el término que describe el cambio en la densidad en verde con el
aumento de la presión de compactación.

II. Preparación del polvo
Los polvos se someten a pasos preparatorios [1], [2], [10], tales como:
a) Clasificación: es el proceso de separación en fracciones de acuerdo con el tamaño de la
partícula. Algunas veces se requiere la molienda para romper los aglomerados y aplanar
las partículas o modificar sus propiedades mediante el endurecimiento por
deformación.

b) Acondicionamiento de polvos: algunos metales, como el hierro, tienen óxidos que se
reducen fácilmente mediante una atmósfera adecuada durante el sinterizado. Otros,
como el titanio, disuelven su propio óxido, por lo que son adecuados para el
procesamiento de polvos. Los óxidos de aluminio contribuyen al reforzamiento por
dispersión.
Los polvos de metal finamente distribuidos pueden ser peligrosos y deben tratarse
con especial cuidado. Algunos, como el berilio y el plomo son tóxicos, otros como el zirconio,
magnesio o aluminio presentan peligro de explosión; muchos otros son pirofóricos (se
encienden espontáneamente con el aire) por debajo de un tamaño crítico de la partícula
[10].

III. Mezclado

Un solo polvo puede no reunir todos los requisitos de propiedades de producción, por lo
que se mezcla con otros. La combinación puede servir para varios propósitos: asegurar la
uniformidad de la distribución de tamaños, controlar la respuesta a los esfuerzos impuestos, ajustar
la densidad del cuerpo compactado y cambiar la composición o las propiedades [2], [10].
Los distintos tipos de mezclado son [2]:
1. Mezclar una fracción más gruesa con una más fina para asegurar que los intersticios
entre las partículas se llenen.
2. Las aleaciones metálicas se pueden producir al mezclar diferentes polvos elementales
(para algunos aceros, bronces y aleaciones de Al y Ti). En este caso, la aleación se forma
en el sinterizado.
3. En la molienda intensa de dos metales , el severo endurecimiento por deformación, la
fractura y la soldadura en frío dan como resultado una aleación mecánica; la molienda
de dos fases (un metal con un líquido) se puede utilizar para producir endurecimientos
por dispersión. También se pueden obtener compuestos metal- no metal.
4. Los aditivos lubricantes reducen la fricción entre partículas, así como la que hay entre
el molde y la pared de este.

IV. Consolidación de polvos
El método para la consolidación, es decir, para convertir el material partícula en la forma
deseada, depende del material y de la densidad deseada. Este puede ser en caliente o frío.
Compactación en frío
Los polvos secos, los cuales se recubren con un lubricante seco, se compactan mediante la
aplicación de presión para formar un sólido denominado cuerpo verde, es decir, sin adhesión
permanente [10].
La densidad también está en función de la forma de la partícula: un polvo esférico se
compacta con una densidad mayor que un polvo de forma irregular. En el curso del prensado, se
expulsa el aire que hay entre partículas, éstas se deslizan una contra otra y contra la superficie de la
herramienta de compactación [2]. A presiones mayores, la fuerza aplicada se concentra en puntos
de contacto entre partículas; las presiones elevadas locales causan deformación incluso fractura, el
compacto adquiere una resistencia en crudo expresada como resistencia de ruptura y se puede
medir en pruebas de flexión transversal [1].

Las técnicas de compactación en frío pueden ser:
Prensado uniaxial en matriz
Tiene su aplicación más amplia en piezas deforma sencilla utilizando una matriz de acero,
pues las presiones elevadas son permisibles; si las partículas se deforman plásticamente, se pueden
lograr densidades en exceso de 90% de la densidad teórica. Las presiones permisibles de la matriz
son como las del forjado y la extrusión desde 100 MPa, 500 MPa, inclusive elevando la presión hasta
900 MPa en algunos casos. Las matrices se llenan por gravedad eliminando el exceso de polvo sólo
removiéndolo [10].

Prensado isostático en frío
El polvo se introduce por vibración en un molde de caucho, se aplica presión hidrostática
(omnidireccional) por medio de un fluido, normalmente agua, y las presiones pueden ser desde 300
hasta 550 MPa; no se necesitan lubricantes ni aglutinantes [10].
Laminación y gravedad
La compactación por laminado, seguida del sinterizado y tal vez de otra laminación, es un
método importante para fabricar tiras de Ni; se utiliza para revestir sustratos metálicos sólidos [10].
El llenado por gravedad de un molde produce un compacto de baja densidad con poca
resistencia.

Figura 4: Secuencia de prensado uniaxial en matriz [10].
27

V. Sinterizado
La sinterización es el proceso por el cual un conjunto de partículas, compactas o no, se
aglomeran o forman enlaces generando un cuerpo coherente bajo la influencia de una temperatura
elevada [1], [10]. El compacto crudo se calienta para obtener las propiedades finales requeridas.
Para el proceso de metalurgia de polvos existen dos tipos de sinterizado comunes.
Sinterizado en fase líquida
Este sinterizado consiste en fundir uno de los constituyentes, que envuelve al elemento con
temperatura de fusión más elevada, y la mejor aglutinación se consigue cuando existe solubilidad
mutua [10].
Sinterización en hornos
La sinterización se realiza a temperaturas muy elevadas, se puede llevar a cabo por medio
de dos tipos: los continuos y los de vacío.
Los hornos continuos tienen una zona de precalentamiento (secado o quemado), una zona
de calor elevada (sinterizado) y una zona de enfriamiento. Todo el sinterizado se realiza en una
atmósfera elegida para proporcionar un ambiente neutro, no oxidante ni reductor [10]. Entre los
gases extensamente utilizados se encuentra el nitrógeno. Por otro lado, el sinterizado dentro de un
horno de vacío proporciona un medio neutro, pero a temperaturas elevadas favorece la
desoxidación de muchos metales [1], [2].

1.1.2 Propiedades físicas y mecánicas de los materiales

Una propiedad física es una característica de la materia que puede ser observada o medida
sin alterar la composición química de una sustancia. Algunos ejemplos de propiedades físicas son:
temperatura, área, volumen, los puntos de fusión y ebullición, la densidad, la masa, el peso,
elasticidad, dureza, entre otras. A continuación, se dan algunos ejemplos de propiedades y sus
definiciones básicas:
Densidad
Es la relación entre la masa de un cuerpo por unidad de volumen, es una magnitud intensiva,
es decir, que no depende de la cantidad de materia que compone al cuerpo, sino de su composición.
Se habla también de densidad relativa, que es la relación entre las densidades de un cuerpo y del
agua a 4°C, siendo esta la unidad. Como un centímetro cúbico de agua a 4°C tiene una masa de 1 g,
la densidad relativa de la sustancia equivale numéricamente a su densidad expresada en gramos
por centímetro cúbico [11].
Es interesante mencionar, que las densidades de la mayoría de los sólidos y líquidos son
aproximadamente independientes de la temperatura; así como de la presión, mientras que las de
los gases dependen, en su totalidad, de estas magnitudes [12].
Volumen
Como propiedad física de la materia es el espacio que ocupa un cuerpo. El Sistema
Internacional de Unidades establece como unidad principal de volumen al metro cúbico. También
se encuentran el decímetro cúbico y el litro (L) [13].
Es el resultado del producto entre tres dimensiones, conocidas como alto, ancho y espesor.
Masa
La masa es una propiedad intrínseca de un cuerpo, la cual mide la resistencia de éste a ser
acelerado. Es posible comparar este valor con la de otro aplicando a cada uno de ellos una fuerza
igual y midiendo las aceleraciones que adquieren. El cociente entre las masas de dichos cuerpos
resulta como el recíproco del cociente de las aceleraciones producidas en ellos por la misma fuerza,
es decir, 𝑚1 𝑚2⁄ = 𝑎2 𝑎1⁄ [12].
Formular la hipótesis anterior es válido debido a la segunda Ley de Newton: “La aceleración
de un cuerpo es inversamente proporcional a su masa y directamente proporcional a la fuerza
exterior resultante que se ejerza sobre él”.
La unidad en el Sistema Internacional (SI) es el gramo, y posteriormente, se estableció un
patrón para utilizar el kilogramo. Cabe comentar, que la masa es un concepto de suma importancia,
pues de él derivan otros como lo es el peso, que resulta del producto entre la masa de un cuerpo y
el valor de la aceleración gravitacional.
29

Temperatura
La Termodinámica es la ciencia que estudia la Temperatura, el calor; así como el intercambio
de energía y tiene aplicaciones prácticas en diferentes ramas como Química, Biología, Ciencias de la
Salud y las Ingenierías [12].
Gracias a los estudios basados en la Termodinámica es posible establecer una escala de
temperaturas absolutas que es independiente de las propiedades de cualquier sustancia. Esto surge
debido a la existencia de tres escalas para la medición en grados de la Temperatura, las cuales son
[12]:
1. Escala Celsius: que se construye asignando el valor de 0 °C a la temperatura del
punto de hielo, asimismo, a la del punto de vapor 100 °C.
2. Escala Fahrenheit: que se forma al asignar a la temperatura del punto de hielo el
valor de 32 °F y a la del punto de vapor 212 °F.
3. Escala absoluta de temperaturas: establecida por Lord Kelvin (1824 – 1907), donde
se define un “punto triple”, que considera una presión de 4.58 mm Hg y la
temperatura es de 0.01 °C estableciendo así, que el valor del cero absoluto es de -
273 °C.
Estos estudios, permiten también, definir a la Temperatura como la medida de energía
cinética molecular interna media de un cuerpo o sustancia [12].
Otra definición encontrada en la literatura dice que es una magnitud que mide el nivel
térmico o el calor que un cuerpo posee. Toda sustancia en determinado estado de agregación
(sólido, líquido o gas) está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento.
La suma de las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica, la
temperatura es la medida de esa energía promedio [13].
Adicional a los cálculos que se pueden realizar para determinar la temperatura de manera
analítica, existe un instrumento que ha evolucionado con el paso del tiempo, este es el termómetro.
Sin embargo, el más común es el de mercurio que, al estar en contacto con un cuerpo caliente, el
elemento en estado líquido se dilata y sube la columna.
Oxidación
Los materiales están expuestos a todo tipo de ambientes. Esta interacción provoca,
generalmente, la pérdida o el deterioro de sus propiedades físicas. Por ello, otra propiedad de
interés es la resistencia a la oxidación [14].
La oxidación y la corrosión son procesos de deterioro en materiales metálicos y se pueden
distinguir dos tipos:
a) Oxidación directa, que resulta de la combinación de los átomos metálicos con los
de una sustancia agresiva, por ejemplo, la oxidación por oxígeno o por azufre,
30

generando una reacción, donde el metal pasa de un estado “puro” a uno combinado
con otros elementos, dando como resultado óxidos, carbonatos, sulfatos, entre
otros, que quedan adheridos a la superficie del metal. A esto se le conoce como
película y, en ocasiones, no es una reacción mala, por el contrario, resulta ser un
protector, que aísla al material (como Cu, Ni Sn, y Al)del agente corrosivo [14].
b) Corrosión electroquímica: es aquella que se presenta cuando un metal es atacado
por un agente corrosivo en presencia de un electrolito1, como lo es el agua de mar.
Este fenómeno se presenta cuando el metal actúa como ánodo (polo positivo) y
cede sus electrones debido a la humedad (que juega el papel de electrolito) del
medio ambiente [14].
Elasticidad
Se puede definir un cuerpo elástico aquel que recobra su tamaño y forma originales cuando
deja de actuar sobre él una fuerza. Robert Hooke observó experimentalmente que cuando una
fuerza “F” actúa sobre un resorte produce en él un alargamiento “s” que es directamente
proporcional a la magnitud de la fuerza siendo el primero en establecer esta relación [13].
Actualmente esta relación es generalizada para el estudio de los materiales y será detallada en el
capítulo siguiente.
Dureza
Es un término utilizado para describir la capacidad de los metales para resistir fuerzas que
tienden a penetrarlos. Los materiales resisten rayaduras, desgastes, penetración o cualquier otro
daño físico. La dureza de los metales se prueba con máquinas conocidas como durómetros, que
presionan una punta contra los materiales que se probarán [13].
Ductilidad
Es una medida de la capacidad de un material a sufrir deformación plástica significativa
antes de la ruptura.
Maleabilidad
Es la propiedad que permite doblar los metales para darles una forma deseada o para
laminarlos en forma de hojas [13].
Cada material cuenta con distintas propiedades, éstas son sólo algunas; la mayoría están
relacionadas con su microestructura y es posible analizarla gracias a la Metalografía.

1 Cualquier sustancia, generalmente líquida, que se comporta como medio conductor eléctrico
debido a los iones libres que contiene.
31

1.1.3 Metalografía

La ciencia y tecnología de materiales es un campo interdisciplinario que estudia la
composición de los materiales sin dejar de lado su estructura para controlar sus propiedades a
través de la síntesis y el procesamiento. La composición se refiere a la constitución química del
material, por otro lado, la estructura a la descripción del arreglo de átomos [15].
El arreglo de átomos o mejor conocido como microestructura tiene una influencia profunda
sobre muchas de las propiedades; sin embargo, la excepción en este caso se ve representada en las
propiedades mecánicas, refiriéndose a la capacidad de los materiales de resistir acciones de carga.
La metalografía estudia las características estructurales y la composición de piezas metálicas
para relacionarlas con sus propiedades mecánicas a través de la observación microscópica de una
probeta pulida sometida a un ataque químico.
De manera general, para hacer un análisis metalográfico se deben realizar las siguientes
etapas:
1. Selección y corte
2. Encapsulado
3. Desbaste
4. Ataque químico y pulido
Selección y corte de muestra
Debido a que es el primer paso del proceso, la selección de la muestra es fundamental, pues
debe realizarse donde la pieza contenga todas las características del material.
Después de seleccionar la pieza, se procede a realizar el corte. Este se realiza bajo las
condiciones (rpm) adecuadas para cada material. En ningún caso2 se debe cambiar la estructura
cristalina del material. Es mejor tomarse el tiempo adecuado en el corte, de ese modo ahorrar
tiempo en el desbaste y el pulido.
Estos cortes deben ser observados, tanto en el microscopio óptico como en el electrónico
con distintas técnicas; por ello, los que son observados sólo en el óptico y que tienen una dureza
baja se pueden ejecutar con un arco con segueta. Sin embargo, los cortes que se observan con
técnicas como EBSD, DRX u otras, requieren de un espesor particular.

2 Se hace la especificación, pues este proceso no sólo se puede realizar en materiales metálicos,
sino en no metales, como la fibra de carbono, cerámica o vidrio, y se conoce como Materialografía.
32

Para este tipo de cortes se recurre a una cortadora automática que trabaja con discos de
corte específicos para cada material, incluso, si la elección del disco es la adecuada, se puede
mejorar la calidad de la superficie cortada y, por ende, una mayor duración del disco.
En general, un disco de corte duro (poco flexible) es el adecuado para cortar material blando
y por el contrario un disco blando (flexible) se usa para cortar material duro. Incluso para algunos
materiales y aleaciones existen discos especiales para cortar; tal es el caso del titanio [16].
Encapsulado
La etapa del encapsulado, como su nombre lo dice, consiste en colocar las muestras
obtenidas después del corte dentro de “una cápsula”, si bien no es una cápsula, se requiere que la
muestra quede dentro de una geometría cilíndrica, como se muestra en la Figura 5, que permita
llevar a cabo el desbaste de una manera homogénea y cómoda. El montaje se elabora en materiales
plásticos sintéticos como bakelita, licité, acrílico isotérmico o resina poliéster, que son vertidas
dentro de un molde; en el que, después del moldeo son relativamente duros y resistentes a la
corrosión, evitando contratiempos durante el desbaste donde se obtiene un producto llamado
“pastilla”.

Figura 5: Muestras encapsuladas en resina transparente.
Las dos características principales que se deben tener en cuenta al momento de decidir qué
resina utilizar son la dureza y el efecto borde.
La dureza de la resina debe ser similar a la de la muestra en estudio para evitar que la
superficie de la probeta quede cóncava o convexa después del pulido. Si la probeta queda con este
problema después del pulido, cuando se observe a través del microscopio no estará enfocada en
todos los puntos y habrá que reenfocarla [16].
El efecto borde se produce cuando la resina y la muestra no han quedado totalmente unidas.
Si existe este caso, los elementos que se utilizan en el pulido (diamante y lubricante), especialmente,
33

en el ataque químico por ejemplo restos de etanol, pueden generar sobre-ataques en el borde de
las muestras en estudio [16].
El encapsulado es mejor conocido como embutido y se puede realizar en caliente o en frío.
Para el embutido en caliente se cuenta con las siguientes opciones de resina:
1. Resina baquelita, que se suele utilizar con muestras muy blandas (aluminio, algunos
bronces).
2. Resina EPO negra, que es dura y evita el efecto borde (separación entre la resina y
la muestra).
3. Resina DUROPLAST azul, que tiene una dureza muy elevada y evita en mayor medida
el efecto borde. Sólo debe utilizarse con materiales extremadamente duros.
4. Resina termoplástica, que se utiliza cuando se necesita que la pastilla sea
transparente y así poder ver la muestra a través de ella.
5. Resina DUROPLAST negra, que contiene grafito y la hace conductora. Se utiliza
cuando la muestra debe estudiarse con un SEM.
Para el embutido en frío utilizando moldes existen dos tipos de resinas, de metacrilato y
epoxi.
1. Resina de metacrilato, de rápido endurecimiento (aprox. 15 minutos). Existen varios
tipos dependiendo de su dureza.
2. Resina epoxi, que es transparente y de largo endurecimiento (aprox. 6 horas). Si se
necesita eliminar por completo el efecto borde, ésta es la resina adecuada.
El tipo de molde utilizado también puede variar la intensidad del efecto borde. En el caso
de los moldes blandos de silicona, el molde se mueve durante el curado de la resina y puede producir
el efecto más acusado. En cambio, los moldes duros de teflón disminuyen este problema. Si se utiliza
resina epoxi, se debe utilizar los moldes de polipropileno ya que son los únicos que no son atacados
por la resina [16].
Desbaste
En seguida del montaje se realiza el desbaste, que puede ser manual oen máquinas
pulidoras y consiste en deslizar la pastilla sobre un papel abrasivo (o disco abrasivo) con una presión
homogénea para efectuar, como tal, el desbaste de la probeta.
Si el proceso es manual, se puede llevar a cabo sobre un tramo de vidrio perfectamente
plano con un trozo de papel abrasivo (lija) de tal forma que cada vez que se cambie, la pastilla se
debe de girar 90°. Debido a que los papeles abrasivos son lijas de agua es necesario: 1) agregar
abundante agua y 2) comenzar con el número más pequeño (180, pasando por la 220, 280, 500,
hasta la número 1500) utilizando todos los abrasivos, pues el tamaño de grano cambia. Hacer esto
asegura un buen desbaste y favorece el pulido.
34

La variación de las lijas es de la misma manera para el desbaste en una pulidora, sin
embargo, se deben tener en consideración otros factores, tales como la velocidad de giro del disco
abrasivo y la carga.
La velocidad de giro en el desbaste debe ser entre 150 y 200 rpm. No se recomienda trabajar
a más velocidad ya que se pueden producir rayas que resultan difíciles de quitar. En el caso de los
materiales blandos (como el aluminio o titanio), la velocidad puede ser menor [16].
Si se dispone de un cabezal portamuestras, la dirección de giro debe ser la misma que la del
plato, salvo en las lijas de desbaste (#240) que puede ser contrario. Se recomienda hacerlo de este
modo con el fin de lijar lo más suave posible [16].
Los tipos de lijas que existen son:
 Lijas de SiC (carburo de silicio): son las lijas tradicionales y más extendidas en su uso.
 Lijas de Zr (circonio): son lijas para realizar desbastes que se preparan para ensayos
de espectometría, evitan la contaminación de Si.
 Lijas de diamante: son lijas de gran duración con las que se consigue retirar gran
cantidad de material rápidamente. Si se tiene un material extremadamente duro
(cerámica, vidrio, metal duro, fibra de carbono) se recomiendan estas lijas.
Cuando se usa un cabezal no se recomienda sobrepasar los 40N en presión individual y para
una presión central, 160N son adecuados [16].
Después de cada paso de lijado se debe limpiar con agua las muestras; así como la pulidora para
evitar arrastrar partículas gruesas al siguiente paso.
Ataque químico y pulido
Después del desbaste, se pueden observar las probetas; sin embargo, no se tendrá la
superficie ideal para el análisis metalográfico. Por lo tanto, es necesario realizar un ataque químico,
que consiste en sumergir por unos segundos la probeta en un reactivo.
Los reactivos varían; algunos ayudan a definir con mayor claridad el tamaño, forma y
distribución del grano, estos generalmente están constituidos por ácidos. El ácido pícrico es utilizado
en aceros aleados o fundición gris. El ácido nítrico resalta los diversos constituyentes estructurales
y el contorno de los granos de los aceros no aleados mostrando algunas fases como la ferrita, la
perlita se distingue por un color más obscuro y la cementita permanece blanca.
Por otro lado, para el titanio y sus aleaciones es recomendable el uso de una solución
química ácida tipo Kroll, la cual se debe manejar con mucha precaución porque es muy agresiva. Al
utilizar esta suspensión se mejoran las posibles distorsiones de los granos aparecidas durante el
desbaste y el pulido.
El pulido es un paso fundamental por dos razones:
1. Es el final del proceso de preparación y debe asegurar una superficie idónea para el estudio,
es decir, sin imperfecciones.
35

2. Debe ser un acabado espejo, que proporcionará todos los datos necesarios para el análisis;
después del pulido se podrán observar las fases, el tamaño de grano, la composición,
incluso, se puede determinar la estructura del material realizando un indexado.
La manera en que se realiza es apoyando la cara desbastada de la pastilla sobre un paño
embebido con una suspensión de abrasivo fijo a un disco. Este paso puede ser manual o en una
máquina pulidora. Si es manual, la probeta se tendrá que desplazar de manera radial, desde el borde
hacia el centro del disco.
Nuevamente la velocidad de giro (como en el desbaste) es importante, debe ser igual o
menor a 150 rpm. Con óxidos de pulido (alúmina o gel de silicio) no se recomienda el utilizar una
velocidad superior a 100 rpm. Si se utiliza un cabezal portamuestras no se debe ejercer una presión
individual superior a 25N y 100N en presión central [16].
Existen varios tipos de paños específicos para cada tamaño de diamante. En general, cuanto
menor es el tamaño del diamante, el paño a utilizar tiene más pelusa. Del mismo modo, los paños
duros se utilizan con diamante de mayor tamaño [16].
Para el pulido se utiliza diamante monocristalino o policristalino de tamaño de grano entre
15 a 1µm y para el pulido final muy fino se usan óxidos de pulido (alúmina o gel de silicio) inferiores
a 1µm [16].
El diamante monocristalino tiene una relación calidad-precio muy buena, por lo que es el
más utilizado. Por otro lado, el policristalino es más eficiente, ya que está compuesto de cristales
que se van rompiendo conforme avanza el pulido. Esto deposita cada vez más diamante en el paño.
Se debe utilizar en materiales duros como cerámica, vidrio o fibra de carbono [16].
El pulido final con alúmina se utiliza solamente cuando se debe hacer un estudio con altos
aumentos que requiere una superficie totalmente libre de rayas. Su tamaño de grano habitual es de
0.06µm y se usa para materiales duro como el hierro fundido, así como todos los tipos de acero [16].
Como se lleva a cabo en el desbaste, se debe tener mucha limpieza de las muestras entre
paño y paño (incluso mayor) limpiándolas con agua destilada y alcohol después de cada paso.
Los paños que se utilicen deben limpiarse también con abundante agua para evitar que
queden residuos de la probeta o abrasivo.
Como se mencionó anteriormente, el orden del pulido y el ataque varía; la combinación
adecuada de ambos permitirá una observación óptima, así como que se logre evitar la distorsión.
Lo que es importante recordar es que antes de atacar la probeta debe limpiarse con alcohol, después
utilizar la secadora.
Con la limpieza adecuada, el ataque y el pulido, las probetas están listas y se ha completado
la preparación metalográfica.

Actualmente existen tablas y métodos para la correcta preparación metalográfica de
materiales específicos, en la Tabla 4 se muestran los parámetros recomendados para el cobre y sus
aleaciones.
Tabla 4: Especificaciones para preparación metalográfica Cu y aleaciones, [17].
Preparación metalográfica
Molienda y Pulido; Cobre y aleaciones
Paso 1 2 3 4
Superficie Lija Lija Lija Lija
Abrasivo
Tipo SiC SiC SiC SiC
Tamaño #500 #800 #1200 #4000
Suspensión/Lubricante Agua Agua Agua Agua
Rpm 300 300 300 300
Fuerza (N) 25 25 25 25
Tiempo (min)
El
necesario
1 1 1
Superficie MD-Mol MD-Chem
Abrasivo
Tipo Diamante /
Tamaño 3µm /
Suspensión/Lubricante DiaPro
Nitrato (1 gota/2
seg)
Rpm 150 150
Fuerza (N) 25 15
Tiempo (min) 4 1

1.1.4 Biocompatibilidad

En el Siglo XIX se pueden encontrar las primeras referencias acerca de la evaluación de la
biocompatibilidad; sin embargo, no existía una definición puntual para este término.
En Chester (Reino Unido) en el año 1991, se celebró una conferencia acerca de definiciones
del campo de los biomateriales, donde se concluyó que la biocompatibilidad no es una propiedad
intrínseca de un material, dado que el uso del material debe venir calibrado por la aplicación y
condiciones de uso. De hecho, ningún material es universalmente biocompatible. Como ejemplo,
basta considerar que el polietileno de ultra alta densidad es un material bioinerte cuando se utiliza
de forma másica, por ejemplo, en prótesis articulares, pero sus partículas de desgaste producen una
seria reacción a cuerpo extraño [17].
Por lo tanto, la biocompatibilidadpodría interpretarse como la aceptabilidad biológica y es
el estudio de la interacción de los biomateriales con los tejidos susceptibles que están en contacto
con ellos. Se puede interpretar también como la habilidad de un material para interactuar de una
manera positiva con el huésped, pues debe de ser aceptado por el organismo y no generar un
rechazo, en una aplicación específica.
La biocompatibilidad se puede examinar a distintos niveles:
1. La interacción entre el material y los tejidos
2. La reacción resultante de la degradación del material
3. Los factores mecánicos (elasticidad, tenacidad, etc.)
Pero no son los únicos factores, se deben considerar también el uso, frecuencia, duración
de la exposición, la cantidad y sustancias migradas al cuerpo [17].
Para que un material sea considerado biocompatible debe cumplir con dos especificaciones
básicas:
1. Caracterización físico-química, por la que se realizará el estudio de las
características mecánicas (estáticas y dinámicas; elasticidad, resistencia, dureza,
etc.) del material, así como de su composición química (densidad, microestructura,
propiedades termodinámicas, etc).
2. Evaluación biológica, que será con el estudio de biocompatibilidad.
Otros factores que influyen en la biocompatibilidad son los químicos y los eléctricos, así
como las propiedades de la superficie en contacto, en conjunto con las interacciones mecánicas,
pues estas condicionarán la respuesta del material.

1.1.5 Biomateriales

Se define biomaterial como un material destinado a estar en contacto con sistemas
biológicos para evaluar, tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo
[17]. Así como todos los materiales, los biocompatibles también se pueden clasificar según el grupo
al que pertenecen, es decir, como metálicos, cerámicos, polímeros y compuestos3.
Dentro del grupo de los metales se encuentran las aleaciones base cobalto, titanio, tantalio
y acero inoxidable; este último se clasifica en cuatro grupos según su microestructura; sin embargo,
los austeníticos son los más utilizados en la fabricación de implantes.
Los aceros inoxidables se caracterizan por ser resistentes a una gran variedad de agentes
corrosivos. Este tipo de aceros contienen, al menos, un 12% de cromo, siendo este tan reactivo
produce un recubrimiento con una película superficial tan adherente y autorrenovable que resiste
a la corrosión aun a temperaturas elevadas [17], [18].
El acero 316 (16-18% Cr, 10-14% Ni y del 2 al 32% de Mo) y el 316L son aceros inoxidables
austeníticos al cromo-níquel-manganeso. Son no magnéticos en condición de recocido y no
endurecen con tratamiento térmico. El contenido total de cromo y níquel es, por lo menos, de 23%
y se trabajan con facilidad en caliente o en frío. Su amplia aplicación en implantes temporales como
placas de fractura, tornillos y clavos, radica en su resistencia a la corrosión gracias al bajo contenido
de carbono (de un 0.08% al 0.03%) [18].

Figura 6: Acero inoxidable austenítico en prótesis quirúrgica [19].

3 Derivados de la unión de estos.
39

1.1.6 Titanio y sus aleaciones

Nombrado así en honor al griego Titán, el titanio fue descubierto en 1791. Es un metal de transición
que a temperaturas elevadas y ambiente presenta resistencia a la corrosión. Las aplicaciones de
este elemento pueden ser en aeronáutica, componentes de motores a chorro, autos de carrera,
componentes para la industria química, petroquímica, aplicaciones marinas, cascos de submarino y
biomédicas como lo son los implantes ortopédicos y quirúrgicos.

Figura 7: Propiedades mecánicas [54].

El titanio comercialmente puro (𝑇𝑖 𝐶𝑃), conocido así debido a que su alta reactividad
dificulta la extracción en estado puro, tiene una excelente resistencia a la corrosión para
aplicaciones donde la consideración de resistencia mecánica es secundaria.
Sin embargo, se agregan elementos de aleación como el aluminio, el vanadio, el molibdeno,
el manganeso, el silicio y otros a las aleaciones de titanio, con la finalidad de mejorar propiedades
como mayor resistencia mecánica y una capacidad elevada de endurecimiento.

La manufactura de aleaciones de titanio debe realizarse con meticulosidad, debido a que las
propiedades y las características de estas pueden cambiar por pequeñas variaciones en la
composición o el procesamiento de los elementos. Por ello, es importante la prevención de la
contaminación superficial por hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, ya que estos elementos reducen la
tenacidad y la ductilidad del titanio propiciando la fragilización [17].
El titanio sufre una transformación alotrópica a la temperatura de 882°C, pasando de una
estructura hexagonal compacta (fase α) a una estructura cúbica centrada en el cuerpo (fase β) que
permite la realización de tratamientos térmicos [17], [18].
También, existen cuatro grados de titanio sin alear normalizados para implantes quirúrgicos,
dependiendo del contenido de impurezas (oxígeno, nitrógeno, carbono, hidrógeno y hierro) que son
las que controlan las propiedades mecánicas [17].
Una ventaja del uso del Ti en aplicaciones biomédicas, frente al acero inoxidable y las
aleaciones base cobalto, es que su módulo de Young es de 110 GPa frente a los 200 GPa y a los 220
GPa, respectivamente, de las aleaciones anteriores; siendo el módulo elástico del hueso de 20 GPa
[17], [18].
Debido a la biocompatibilidad que presentan las aleaciones de Ti también se han utilizado
en el área biomédica. La más común es 𝑇𝑖6𝐴𝑙14𝑉, debido al equilibrio que existe entre sus
propiedades mecánicas; la resistencia a la corrosión, su capacidad para tener un buen mecanizado
y poder modificar sus propiedades con tratamientos térmicos [17].
La aleación 𝑇𝑖6𝐴𝑙14𝑉 es de tipo α-β. Este tipo de aleaciones se ha desarrollado por la mala
forjabilidad del tipo alfa, por su baja resistencia en frío y por su fragilidad, si se intenta aumentar la
resistencia mediante el aumento del contenido de elementos de aleación [17].
La resistencia del titanio y sus aleaciones es en general inferior a las de acero inoxidable AISI
316 y de las aleaciones base cobalto, pero en relación con su resistencia específica
(resistencia/densidad), las aleaciones de titanio son superiores [17].
El proceso de fabricación más favorable, basado en las características del titanio y sus
aleaciones, es la metalurgia de polvos. Esta hipótesis se respalda con el trabajo reportado por V.
Amigó et al. [20], donde muestra que la obtención de aleaciones β-Ti se pueden producir con dicha
técnica mejorando las propiedades del material, como un módulo elástico bajo y alta resistencia a
la corrosión. Por ello este material producido de esta forma, tiene distintas aplicaciones, como en
aeronáutica o biomateriales [20].

Estos mismos investigadores le han dado continuidad al trabajo de investigación de
diferentes aleaciones fabricadas por medio de PM, tal como Ti-Cu, obtenida con fines biomédicos.
Parte de los resultados obtenidos demuestran que el Cu aumenta la cantidad eutectoide en el límite
de grano, favoreciendo la formación de intermetálicos de Ti2Cu, que disminuyen la pérdida de
materia de las prótesis por desgaste o corrosión, además aumenta la dureza [21].
Como se mencionó, el titanio es reactivo a elevadas temperaturas, es por ello, que se han
realizado sinterizados en moldes de diferentes materiales, como alúmina, itria, circona y gres4 a
temperaturas entre los 1300 – 1400°, obteniendo los mejores resultados con el molde de itria;
disminuye la dureza el 40% de las aleaciones 𝑇𝑖6𝐴𝑙14𝑉, acercándose a la del hueso cortical [22].

Figura 8: Imagen tomada en SEM de material cerámico a de circona [23].4 Material cerámico formado por arcillas y sílice.
42

1.1.7 Silicio como elemento aleante

El silicio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre con aspecto gris oscuro
azulado, forma parte de los metaloides; es decir, que tiene propiedades intermedias entre metales
y no metales, es semiconductor y tiene número atómico 14 [24].
A continuación, se presentan algunas de las propiedades del Si en la Tabla 5.
Tabla 5: Propiedades del Silicio.
Propiedades del Si
Estado ordinario Sólido (no magnético)
Densidad 2330 kg/m3
Punto de fusión 1414°C
Punto de ebullición 2900°C
Estructura cristalina FCC

El uso más común del silicio es la industria de la construcción donde es utilizado como
componente de ladrillos, hormigón y cemento; sin embargo, no es el único. Al ser semiconductor
también es muy importante en la industria eléctrica para células solares, pantallas LCD y
transistores. Se puede encontrar también en forma de silicatos, por lo tanto, se usa para hacer
cerámicas y esmaltes; así como la silicona, un polímero derivado del silicio que se utiliza en aceites
y ceras, implantes mamarios, lentes de contacto, explosivos y pirotecnia [24].
No obstante, la mayoría del silicio se utiliza con el fin de producir piezas fundidas con
aleaciones de aluminio. Las piezas se producen mediante vaciado en un molde y generalmente
forman parte fundamental de la industria automotriz.

2 Capítulo II: Aspectos generales sobre caracterización mecánica en
materiales
2.1.1 Elasticidad

Actualmente la elasticidad es estudiada, en términos generales, por la mecánica del medio
continuo. Esta rama de la mecánica estudia el comportamiento mecánico de los materiales
modelados como continuos en lugar considerarlos como cuerpos formados por partículas discretas.
Se divide en el estudio de la mecánica de fluidos y mecánica de sólidos. Utiliza el ente matemático
denominado “tensor” el cual es definido como una transformación lineal de un espacio vectorial en
el mismo [25] y se representa como sigue:
𝑣 = 𝑆𝑢 (1)
La teoría de elasticidad por su parte estudia el comportamiento de los materiales de una
manera más general que la mecánica de materiales. Dentro de la teoría de elasticidad se definen los
esfuerzos y deformaciones de forma separada para posteriormente relacionarlas por medio de
ecuaciones constitutivas. En un cuerpo al cual le es aplicado un conjunto de fuerzas en un punto
interior de él mismo existen esfuerzos normales y esfuerzos de corte. Únicamente para un corte
imaginario sobre el cuerpo se tienen tres esfuerzos (uno normal y dos de corte) los cuales se definen
como [26]:
𝜎𝑥 = lim
∆𝐴→0
∆𝐹𝑥
∆𝐴
=
𝑑𝐹𝑥
𝑑𝐴
(2)

𝜏𝑥𝑦 = lim
∆𝐴→0
∆𝐹𝑦
∆𝐴
=
𝑑𝐹𝑦
𝑑𝐴′
(3)

𝜏𝑥𝑧 = lim
∆𝐴→0
∆𝐹𝑧
∆𝐴
=
𝑑𝐹𝑧
𝑑𝐴
(4)

Donde 𝜎 es utilizado para esfuerzos normales y 𝜏 para esfuerzos cortantes. Considerando
dos cortes más al cuerpo, se tienen todos los esfuerzos posibles en un punto; de tal forma que el
tensor de esfuerzos puede escribirse como:
[𝜏𝑖𝑗] = [
𝜎𝑥𝑥 𝜏𝑥𝑦 𝜏𝑥𝑧
𝜏𝑦𝑥 𝜎𝑦𝑦 𝜏𝑦𝑧
𝜏𝑧𝑥 𝜏𝑧𝑦 𝜎𝑧𝑧
] (5)
Donde los subíndices i y j representan el plano y la dirección en cada caso. Las unidades del
esfuerzo en el sistema internacional son pascales Pa (𝑁 𝑚2⁄ ) y debido a que son valores altos
generalmente se representan en MPa.
Para el caso de la deformación la deformación unitaria está definida como:
𝜀𝑜 =
𝐿 − 𝐿0
𝐿0
=
𝛿
𝐿0
(6)
Donde L es la longitud final y Lo es la longitud inicial. De manera general, las deformaciones
en función de los desplazamientos se pueden expresar como sigue:
𝜀𝑖𝑗 =
1
2
(∇𝑢 + ∇𝑢𝑇) (7)
De hecho, para analizar un problema en teoría de elasticidad es necesario considerar 15
ecuaciones en derivadas parciales (3 ecuaciones de equilibrio, 6 relaciones deformación-
desplazamiento y 6 relaciones esfuerzo - deformación). Las relaciones esfuerzo – deformación
representan la forma general de la ley de Hooke la cual puede escribirse como:
𝜎 = 𝐶𝜀 (8)
Donde 𝜎 es el tensor de esfuerzos, 𝐶 el tensor de constantes elásticas y 𝜀 el tensor de
deformación. Debido a que el tensor de esfuerzos y el de deformaciones son de rango 2 (9
elementos cada uno) el tensor de constantes elásticas es de rango 4; es decir, matemáticamente
tiene 81 términos. Como los tensores de esfuerzo y deformación son simétricos las 81 constantes
elásticas se reducen a 36. Finalmente, una reducción más es realizada bajo consideraciones de
energía quedando únicamente 21 constantes elásticas. Este último número es el máximo que puede
tener un material el cual se va reduciendo de acuerdo a la estructura cristalina que presente el
material y a las simetrías presentadas en ella, ver Tabla 6 [27].

Tabla 6: Reducción de constantes elásticas de acuerdo con estructura cristalina y sus
simetrías.
Estructura cristalina Simetría rotacional
Número de constantes
elásticas independientes
Triclínica - 21
Monoclínica 1 rotación en un eje 2 13
Ortorrómbica
2 rotaciones de eje 2
perpendiculares
9
Tetragonal 1 rotación de un eje 2 6
Hexagonal 1 rotación de un eje seis 5
Cúbica 4 rotaciones de ejes 3 3
Isotrópica - 2

Para diseños ingenieriles es considerado el caso isotrópico cuya ley de Hooke es
representada como:
𝜀𝑥 =
1
𝐸
[𝜎𝑥 − 𝑣(𝜎𝑦 + 𝜎𝑧)] (9)
𝛾𝑥𝑦 =
𝜏𝑥𝑦
𝐺
(10)
𝜀𝑦 =
1
𝐸
[𝜎𝑦 − 𝑣(𝜎𝑥 + 𝜎𝑧)] (11)
𝛾𝑦𝑧 =
𝜏𝑦𝑧
𝐺
(12)

𝜀𝑧 =
1
𝐸
[𝜎𝑧 − 𝑣(𝜎𝑥 + 𝜎𝑦)] (13)
𝛾𝑥𝑧 =
𝜏𝑥𝑧
𝐺
(14)
Donde E es el módulo de elasticidad, G el módulo de rigidez a corte y ν es el coeficiente de
Poisson. Considerando el caso uniaxial 𝜎𝑦 = 𝜎𝑧 = 0 ; la ecuación 9 queda como:
𝜎 = 𝐸𝜀 (15)
Donde E varía de acuerdo con el tipo de material.

2.1.2 Ensayos para caracterización de materiales

La caracterización de materiales se refiere a la identificación de un material a partir del
estudio de sus propiedades físicas, químicas, estructurales, entre otras [28].
Existen para ello distintas técnicas de caracterización, de acuerdo con el interés que
despierte dicho material. Una vez conocidas las características del material puede establecerse la
naturaleza de este; así como sus posibles aplicaciones [28].
Las pruebas que se realizan para caracterizar se clasifican en dos tipos: ensayos destructivos
y no destructivos.
Al momento de trabajar un material se deben conocer sus propiedades mecánicas, y saber
que éstas variarán en función de la velocidad de deformación y de la temperatura a la que se
encuentre en el cuerpo a ensayar. Los ensayos utilizados para medir las propiedades mecánicas son
los ensayos destructivos, que determinan las características mecánicas de los materiales en
condiciones de esfuerzo y deformación de las piezas o elementos que estarán sometidos durante
su funcionamiento real [29].
Un ensayo destructivo es aquel que deteriora la pieza que inspecciona, pero dependiendo
del tipo de ensayo, la pieza experimenta desde una leve marca hasta una deformación permanente
o incluso su rotura parcial o total [29].
Dentro de los ensayos destructivos de propiedades mecánicas se pueden diferenciar: los
ensayos estáticos, dinámicos y tecnológicos.
Los estáticos tienen una carga estática o progresiva, los dinámicos no tienen carga estática
y los tecnológicos se utilizan para comprobar si un material es útil o no para una aplicación en
concreto, cuando por medio de pruebas científicas no es posible realizar las comprobaciones [29].
47

Un ensayo no destructivo es aquel que no altera la forma ni las propiedades de un objeto.
No produce ningún tipo de daño en él o el daño es imperceptible. Este tipo de ensayos sirven para
estudiar las propiedades físicas, químicas y algunas mecánicas de los materiales [30].
Ensayos de radiografía industrial, de líquidos penetrantes, de ultrasonidos